[논문]높은 Q값을 갖는 저전압 능동 CMOS 인덕터

유태근; 홍석용; 정항근

높은 Q값을 갖는 저전압 능동 CMOS 인덕터
A Low-voltage Active CMOS Inductor with High Quality Factor 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. SD, 반도체, v.45 no.2 = no.368, 2008년, pp.125 - 129

유태근 (전북대학교 전자정보공학부) , 홍석용 (전북대학교 전자정보공학부) , 정항근 (전북대학교 전자정보공학부)

초록
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본 논문에서는 Q값(Q-factor)을 증가시킬 수 있는 저전압 능동(active) CMOS 인덕터를 제안하고 설계하였다. Q값을 증가시키기 위한 방법으로 저전압 능동 CMOS 인덕터에 피드백 저항을 삽입하여 등가적인 인덕턴스와 Q값을 증가시켰다. 저전압 능동 CMOS 인덕터는 0.18um 표준 CMOS 공정으로 설계하였으며 모의실험은 애질런트사의 ADS 시뮬레이터를 이용하였다. 모의 실험결과 설계된 피드백 저항을 삽입한 저전압 능동 CMOS 인덕터는 4GHz에서 1.5nH의 인덕턴스와 최대 3000이상의 Q값을 가졌고 소비전력은 5.4mW였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A low-voltage active CMOS inductor approach, which can improve the quality-factor(Q), is proposed in this paper. A low-voltage active inductor circuit topology with a feedback resistance is proposed, which can substantially improve its equivalent inductance and quality-factor(Q). This proposed low-voltage active inductor with a feedback resistance was simulated by ADS(Agilent) using 0.18um standard CMOS technology. Simulation showed that the designed active inductor had a maximum quality-factor(Q) of 3000 with a 1.5nH inductance at 4GHz

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이런 장점으로 능동 CMOS 인덕터는 온-칩(on-chip) 필터, 매칭 네트워크 (matching network), LC tank 회로등 광범위한 분야에 응용이 가능하다그러나 능동 소자를 사용하기 때문에 동작 주파수의 한계와 높은 잡음 지수, 직류 전력 소모 등의 단점을 가지고 있다. 본 논문에서는 피드백 저항을 이용하여 기존의 능동 CMOS 인덕터 회로보다 높은 Q값을 가지며 저전원 전압으로 구동 가능한 회로를 제안하였으며 이 회로를 기존의 회로와 비교 분석하였다.
본 논문은 저전압 능동 CMOS 인덕터에 피드백 저항을 삽입하여 Q값과 인덕턴스가 향상된 구조를 제안하였고 0.18um 일반적인 CMOS 공정을 이용하여 설계하였다. 모의실험 결과 4GHz에서 成이상의 Q 값과 L5nH의 인덕턴스를 얻었다.

가설 설정

그림 3의 등가 입력 임피던스는 식(3)처럼 표현될 수 있다. 여기서 Cgs》Cgd을 가정하였고 gm, gds 그리고 (為는 트랜지스터의 트랜스컨덕턴스, 출력 컨덕턴스(conductance) 그리고 게이트와 소스사이의 커패시턴스를 나타낸다. 식(3)에서 표현된 것처럼 그림 2의 간단한 접지 능동 CMOS 인덕터와 비교했을 때 인덕턴스와 직렬 저항 성분은 변하지 않는다'8].

제안 방법

모의실험 결과 4GHz에서 成이상의 Q 값과 L5nH의 인덕턴스를 얻었다. 결론적으로 낮은 전원 전압의 능동 CMOS 인덕터에 피드백 저항을 삽입함으로써 피드백 저항이 없는 구조와 동일한 전력 소모에도 높은 Q값을 가지는 인덕터를 설계하였다. 이 제안된 능동 CMOS 인덕터는 온-칩 필터, 매칭 네트웍, LCtank 회로등 광범위한 분야에 적용이 가능하다.
본 논문의 II절에서는 제안된 피드백 저항을 갖는 높은 Q값의 저전압 능동 CMOS 인덕터를 정량적인 분석을 하였으며 HI절에서는 전원 전압 1.8V, 0.18um 일반적인 CMOS 공정으로 ADS(애질런트) 시뮬레이터를 이용한 모의실험결과를 나타내었다. 결론적으로 피드백 저항을 갖는 능동 CMOS 인덕터는 기존의 회로보다 낮은 전압 헤드룸(voltage headroom)을 가지며 또한 피드백 저항이 없는 회로와 동일한 전력소모에도 불구하고 큰 Q값 갖는다.
또한 CMOS 공정에서 집적화된 나선형 구 조의인 덕 터는 넓은 칩 면적을 차지하므로 제조 비용이 증가하게 된다. 이로 인해 제안된 방법은 CMOS 소자를 이용한 능동(active) 인덕터이다. 능동 CMOS 인덕터는 실리콘 기판에 집적화된 나선형 인덕터와 비교할 때 칩 면적이 상대적으로 작고 높은 Q 값을 가지며 인덕턴스를 가변시킬 수 있는 장점이 있다.

대상 데이터

자이레이터(gyrator) 모델에 기초한 간단한 능동 인덕터는 트랜스컨덕턴스(transconductarmce) 소자로서 단일 MOS 트랜지스터를 사용하여 구현될 수 있다回 그림 1과 같은 자이레이터의 등가 모델에서 동일한 트랜지스터를 가정했을 때 입력 임피던스는 식(1)과 같이 표현될 수 있다. 식(1)은 자이레이터 모델의 입력 임피던스가 인덕턴스 성분으로 모의됨을 알 수 있다.
결론적으로 피드백 저항이 삽입함으써 저전압 능동 CMOS 인덕터의 Q값과 인덕턴스가 증가한다. 제안한 피드백 저항을 갖는 저전압 능동 CMOS 인덕터는 0.18um 일반적인 CMOS 공정을 이용하여 설계 하였으며 전원 전압은 L8V, 소비전력는 5.4mW이다.

성능/효과

18um 일반적인 CMOS 공정으로 ADS(애질런트) 시뮬레이터를 이용한 모의실험결과를 나타내었다. 결론적으로 피드백 저항을 갖는 능동 CMOS 인덕터는 기존의 회로보다 낮은 전압 헤드룸(voltage headroom)을 가지며 또한 피드백 저항이 없는 회로와 동일한 전력소모에도 불구하고 큰 Q값 갖는다.
식(4에서 표현한 것처럼 피드백 저항이 증가함에 따라서 인덕턴스도 증가함을 알 수 있다. 결론적으로 피드백 저항이 삽입함으써 저전압 능동 CMOS 인덕터의 Q값과 인덕턴스가 증가한다. 제안한 피드백 저항을 갖는 저전압 능동 CMOS 인덕터는 0.

후속연구

결론적으로 낮은 전원 전압의 능동 CMOS 인덕터에 피드백 저항을 삽입함으로써 피드백 저항이 없는 구조와 동일한 전력 소모에도 높은 Q값을 가지는 인덕터를 설계하였다. 이 제안된 능동 CMOS 인덕터는 온-칩 필터, 매칭 네트웍, LCtank 회로등 광범위한 분야에 적용이 가능하다.

참고문헌 (9)

J. N. Burghartz, K. A. Jenkins, and M. Soyuer, "Multilevel-spiral inductors using VLSI interconnect technology," IEEE lectron Device Lett.,vol.17,pp.428-430,Sept. 1996

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M. Park, S. Lee, H. K. Yu, J. G. Koo, and K. S. Nam, "High Q CMOS compatible microwave inductors using double-metal interconnection silicon technology," IEEE Microwave Guided Wave Lett.,vol.7,pp.45-47, Feb. 1997

상세보기
P. Q. Chen and Y. J. Chan, "Improved microwave performance on low-resistivity Si substrates by Si ion implantation," IEEE Trans. Microwave Theory Tech.,vol.48,pp.1582-1585, Sept. 2000

상세보기
Hara, S., et al."Broadband monolithic microwave active inductor and its application to wideband amplifiers" IEEE Trans. MTT, vol.36, pp.1920-1924, Dec, 1988

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Kaunisto, R., etal."Active inductors for GaAs and bipolar technologies" Analog Integ. Circuits Signal Process., vol. 1, pp. 35-48, July, 1995
Ismail, M., Wassenaar, R., and Morrison, W.: "AHigh-speed Continuous-Time Bandpass VHF Filter In MOSTechnology", Proc. IEEE ISCAS, 1991, Vol.3, pp.1761-1764
Apinunt Thanachayanont, "A 1.5-V HIGH-Q CMOS ACTIVE INDUCTOR FOR IF/RF WIRELESS APPLICATIONS", IEEE, 2000. pp.654-657
Ming-Juei Wu, Jyh-Neng Yang, and Chen-Yi Lee "A Constant Power Consumption CMOS LC Oscillator Using Improved High-Q Active Inductor with Wide Tuning-Range", The 47h IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems, 2000, pp.347-350
Chao-Chih Hsiao, Chin-WeiKuo, Chien-ChihHo, and Yi-JenChan, "Improved Quality-Factor of 0.18um CMOS Active Inductor by a Feedback Resistance Design", IEEE Microwaveand Wireless Components Lett., vol.12, pp.467-469, Dec. 2002

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